柔性机械臂用压电驱动器实现精密定位控制的研究——解析模型、作业空间和可操作性分析

本文提出了利用柔性机械臂的柔性并通过压电驱动器实施精密定位，实现微位移和微力操作的思想．为此针对二连杆柔性机械臂建立了其微位移、微力操作的解析模型，并理论和仿真分析其可达作业空间能力及其可操作性．通过应用例子仿真研究表明方法的有效性，拓宽了压电驱动器应用于柔性机械臂振动控制的思想     

压电柔性机械臂的主动振动控制研究

针对柔性机械臂的振动问题,采用压电智能结构作为敏感器和驱动器进行主动控制.首先建立柔性机械臂的实验装置,其次对设计的柔性机械臂系统进行辨识研究,得到系统的前二阶模态频率,再次采用PD控制和PPF控制算法对柔性机械臂进行主动振动控制.实验结果表明,采用压电智能结构可以抑制柔性机械臂的振动,效果明显.     

一种带力传感的微夹持器设计及试验

设计制作一种带力传感的微夹持器,通过压电陶瓷堆驱动和柔性铰链放大来实现夹持动作,由粘贴于悬臂应变梁的半导体应变片构成惠斯通电桥测量微夹持力．优化设计了柔性铰链的结构,对悬臂式应变梁进行了仿真分析．最后,制作并组装成微夹持器,进行了力传感标定试验和微夹持操作试验．制作和试验结果验证了这种带力传感的微夹持器的可行性和实用性．     

基于压电薄膜驱动的微定位平台建模与分析

设计了一种基于压电薄膜驱动梁和柔性铰链结构的3维微定位平台,并且为了准确评估平台性能提出了一种理论建模分析方法.首先,根据力平衡条件下的欧拉-伯努利梁理论和压电本构方程,得到压电薄膜梁的输出模型;然后,根据柔度矩阵方法,推导得到微定位平台的整体柔度模型;最后,综合压电薄膜梁模型和平台柔度模型得到平台的整体输出模型.通过有限元仿真分析微定位平台的输出位移和转角,并与理论计算结果进行对比验证.结果显示,仅有1个驱动器作用时,输出位移和转角理论计算结果与有限元分析结果的相对误差分别为5.4%和5.5%;3个驱动器共同作用时,输出位移理论结果与有限元分析结果的相对误差为11.6%.     

智能柔性机械臂的建模和振动主动控制研究

针对伺服电动机、谐波齿轮减速器、柔性臂及压电致动器组成的智能柔性机械臂系统,基于假设模态法和Hamilton原理建立系统动力学方程.为了实现系统较高精度的位置控制,同时快速抑制柔性臂的弹性振动,提出了对伺服电动机采用PD(proportional derivative)控制、对压电致动器采用模糊(fuzzy)控制的复合控制策略.在数值仿真分析的基础上,搭建了智能柔性机械臂系统测控平台.数值仿真和实验结果表明所提出的控制策略是可行的:PD控制算法控制伺服电动机以较高的位置精度完成了系统运动控制,模糊控制算法控制压电致动器较快地抑制了柔性臂的弹性振动.实验中柔性臂的振动衰减时间由6.5s缩短为3.5s,提高了柔性臂末端的定位控制精度,改善了系统的操作效率.     

压电陶瓷驱动器非线性建模研究

压电陶瓷驱动器电压位移之间的非线性特点严重影响着它的位移控制精度,建立压电陶瓷驱动器非线性模型是纳米级微位移测控中的关键环节.采用支持向量机回归的方法,通过引入核函数和损失函数将非线性回归转化成线性问题并提高回归精度,建立了一种新的压电陶瓷驱动器外环非线性模型,并就模型的准确性与其它建模方法进行了比较.试验证明,所建的基于支持向量回归的压电陶瓷驱动器非线性模型很好的描述了压电陶瓷驱动器外环非线性特点,误差控制在2%以内,并且建模过程简单,准确性高.     

并联三钳指柔性压电微夹钳的设计与分析

为增大柔性微夹钳可操作物体的范围、增加操作过程中的稳定性、降低对可操作物体的损伤、消除垂直于输出位移方向的耦合位移,基于二级杠杆位移放大机构、桥式位移放大机构、位移导向机构,设计了一种单压电执行器驱动并联三钳指的柔性微夹钳.首先,描述了并联三钳指微夹钳的结构特征与工作原理;然后,根据微夹钳的柔性特征构建其输出位移放大倍...     

基于增量PID的压电微位移器驱动控制系统开发

对基于数字增量PID算法的压电微位移器驱动控制系统进行了理论分析和开发研究,提出了基于数字增量PID算法的压电微位移器控制系统的设计方案,并利用通用计算机及数据采集板对其进行了开发,最后将该微位移控制系统用于基于压电堆驱动器的机械手手指张合运动控制系统中,取得了良好的控制效果.该微位移器控制系统具有实现简便、控制效果好...     

一种集成微力检测的压电式微夹钳

针对微装配任务设计了一种双悬臂梁结构的压电双晶片微夹钳,该微夹钳由两个压电双晶片驱动．建立了压电双晶片的复合梁模型,并对它的微位移—电压特性、夹持力—应变特性进行了数学分析．通过检测悬臂梁根部的应变信号实现对微夹钳夹持力的检测．实验证明该微夹钳工作可靠,能够满足微装配机器人装配任务的要求．     

基于压电陶瓷驱动的腹腔手术微型机器人

本文简要介绍了一个基于压电陶瓷驱动的腹腔手术用微型机器人系统，重点叙述了 微型机器人关节驱动部件的结构设计方案及其实现，对所设计的柔性铰链进行了定量力学分 析，并通过实验证明采用柔性铰链来实现驱动位移的放大是确实可行的．     

基于柔性关节机械臂振动的空间非合作目标质量辨识

针对空间在轨服务任务中捕获的非合作目标的质量辨识问题,提出了一种基于柔性关节机械臂振动频率的质量辨识方法.在该方法中,首先利用操作航天器上的柔性关节机械臂捕获空间非合作目标;然后对操作航天器、柔性关节机械臂与空间非合作目标形成的组合体进行动力学建模;最后通过分析柔性关节机械臂的振动频率来辨识空间非合作目标的质量.数值仿真结果证实了该方法的有效性.     

柔性机械臂建模理论与控制方法研究综述

针对柔性机械臂进行有效和精确的建模以及对其进行有效的控制一直是国内外学者研 究的重要课题．由于柔性机械臂本身所具有的高度非线性、强耦合和时变的特点，建立精确 的动力学模型成为柔性臂研究的一个重点．而随着系统和控制领域理论和技术的不断发展， 针对柔性机械臂的控制，也形成了许多不同的控制策略．本文从柔性机械臂建模理论和控制 方法两方面，对国内外学者的研究工作分别加以介绍，并对各种方法的优缺点进行分析和比 较，并对今后的研究方向进行了展望．     

考虑柔性关节的机械臂自适应运动控制策略研究

具有柔性关节的轻型机械臂因其自重轻、响应迅速、操作灵活等优点,取得了广泛应用;针对具有柔性关节的机械臂系统的关节空间轨迹跟踪控制系统动力学参数不精确的问题,提出一种结合滑模变结构设计的自适应控制器算法;通过自适应控制的思想对系统动力学参数进行在线辨识,并采用Lyapunov方法证明了闭环系统的稳定性;仿真结果表明,该控制策略保证了机械臂系统对期望轨迹的快速跟踪,具有良好的跟踪精度,系统具有稳定性。     

柔性机械臂运动轨迹的鲁棒自适应控制

本文针对多连杆柔性机械臂的运动轨迹问题，讨论了动力学建模，控制系统结构设计以及鲁棒自适应控制法，运用假设模记方法得到了柔性机械臂动力学所似方程，通过对柔性机械臂动力学特性分析，建立了等价动力学模型，依此提出了一种鲁棒自适应控制算法，并给出仿真研究结果。     

基于压电陶瓷的柔性机器人主动抑振控制策略研究

柔性机器人因其轻质、高效、低能耗等优点已被广泛应用于航空航天,工业制造等诸多领域。然而,柔性机构易产生弯曲变形,引起系统振动而大大降低机器人的工作精度。为提高柔性机器人的工作性能,多种抑振策略得以研究与应用。提出了基于压电陶瓷（PZT）的柔性机器人振动主动抑制策略。其中,PZT传感器和PZT制动器分别被用来检测和抑制柔性臂的振动。本文构建了基于PZT材料的单自由度柔性机械臂的理论模型,并获得了传感电压与制动电压的传递函数。设计了一个可变控制方案的抑振器以抑制系统在不同频率下的振动。在COMSOL中进行仿真,获得了系统的抑振率。根据仿真结果显示,柔性臂在前三阶振动下,臂的末端位移分别得到了57.04%,57.76%与58.96%的抑制;系统的动能得到了57.95%,71.19%与87.81%的抑制。     

微位移系统中压电陶瓷驱动器迟滞建模

针对超精密微位移系统中压电陶瓷驱动器的迟滞非线性问题,提出了一种基于遗传反向传播(BP)神经网络的压电陶瓷迟滞非线性建模方法.通过电涡流位移传感器获取压电陶瓷驱动器不同电压值下所对应的位移值;利用六次多项式拟合获得迟滞的数学模型,从而建立基于遗传BP神经网络的迟滞,模型.实验结果显示:该迟滞模型在神经网络测试下的最大误差为0.082 1 μm,平均绝对误差为0.0158 μm.表明,所建的迟滞模型能够较精确地反映出压电陶瓷驱动器的迟滞特性,同时为微位移控制系统设计提供了一定的理论基础.     

基于头部碰撞等效模型的柔性关节机械臂安全构型优化

为了提高柔性关节机械臂的头部碰撞安全性,提出基于机械臂安全指数和梯度投影法的柔性关节机械臂构型优化方法,并给出安全碰撞方向和安全构型的确定方法.首先建立柔性关节机械臂的头部碰撞等效模型,模型充分考虑了机械臂关节柔性的影响.然后分别给出固定构型下安全碰撞方向的确定方法和固定碰撞方向下安全构型的确定方法.基于机械臂安全指数,采用梯度投影算法实现了冗余柔性关节机械臂连续路径的构型优化.最后,建立闭环仿真系统,分别通过平面3自由度机械臂和空间7自由度机械臂验证了采用梯度投影法降低机械臂安全指数的有效性.2种仿真结果显示,优化后的机械臂安全指数分别降低了83.86%和26.42%.     

基于虚拟仪器的压电微位移驱动器线性化研究

根据压电陶瓷的非线性特性,提出了一种采用离散电压标定和控制压电微位移驱动器线性化的方法。利用数模输出卡,输出不同步长的单个的离散电压,控制压电陶瓷伸长的速度,从而达到利用选取的电压值参数来控制压电陶瓷伸长速度的目的。选取恰当的电压值,可以使得压电驱动器在时间域上线性地伸长而达到线性化。设计基于Labview的控制系统,并对线性化方法进行了原理分析和实验。实验结果表明,该系统可以有效地在0—300V范围内使压电微位移驱动器的伸长量与时间成线性关系,定位精度为1nm。     

轴向预压缩压电双晶片驱动器静动态特性仿真

研究轴向预压缩力增大压电双晶片驱动位移及力矩问题,对某微型飞行器的压电双晶片驱动器进行了机电耦合场有限元仿真,得到在不同轴向力及电压作用下的静动态特性。为了验证系统可靠性,采用解析解进行比较,结果表明:有限元解和解析解复合较好。采用上述压电双晶片驱动器,在150V电压及25N轴向力的作用下,驱动转角峰峰值为14°,驱动力矩为2.4N*mm,都达到未施加轴向力的压电双晶片驱动器的4倍以上。一阶固有频率为95Hz远大于普通电动舵机,可大幅提高微型飞行器的操稳性。     

时滞柔性关节机械臂自适应位置/力控制

针对具有时滞的柔性关节机械臂自适应位置和力控制问题进行了研究.首先,通过坐标变换得出降维的位置/力控制模型.随后,将时间滞后近似表示成一阶滞后,进行时滞补偿.利用自适应算法修正机械臂系统参数,克服模型参数不确定性对系统的影响.同时,采用反步控制技术设计机械臂位置/力控制器,运用Lyapunov稳定性定理证明控制器能使机械臂位置和力跟踪误差收敛.最后的仿真研究验证了控制方案的有效性.